CAD/CAE技術在發動機活塞設計中的應用

黃鼎鍵 鐘 勇 黃 鍵

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CAD/CAE技術在發動機活塞設計中的應用

黃鼎鍵 鐘 勇 黃 鍵

福建工程學院機電及自動化工程系

活塞是發動機中最為重要的部件之一。運用CAD/CAE技術建立某活塞有限元模型，以及相應的邊界條件，在此基礎上對機械負荷作用下的活塞進行三維有限元分析，得到了活塞的應力和變形情況，為活塞的結構改進及產品設計提供理論依據。

活塞；機械負荷；有限元法

活塞是發動機的關鍵零部件之一，它的工作情況直接關系到發動機的工作可靠性和使用耐久性，同時直接影響到發動機的排放性能及經濟性。本文以某汽車配件公司正開發的活塞為研究對象, 綜合應用CAD/CAE技術對活塞進行強度有限元分析，以期得到活塞應力分布及變形量，為開發和改進活塞結構提供理論依據。

1　活塞實體模型和有限元模型的建立

1.1 三維實體模型建立及模型傳輸

根據活塞設計圖紙，利用三維CAD建模軟件UG3.0建立了滿足工程分析要求的活塞三維實體模型如圖1所示。

通過UG3.0與ANSYS10.0的專用模型傳輸接口，將所建立的活塞三維實體模型導入到ANSYS10.0中，如圖2所示，為建立有限元模型做準備。

圖1　活塞三維實體模型

圖2　導入ANSYS后的活塞模型

1.2 單元類型

采用四面體實體單元SOLID92對活塞進行網格劃分；SOLID92是一種10節點的四面體單元，其幾何結構、節點位置和坐標系如圖3所示；Solid92單元具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應力強化、大變形、大應變的特性[1]。根據分析要求，主體單元尺寸大小為2 mm。

圖3 SOLID92單元

1.3 活塞材料屬性

在網格劃分前，除了設置活塞的單元類型之外，還要定義活塞的材料屬性，該活塞采用的是ZL109共晶鋁合金，其材料的特性，如表1所示。

表1 活塞的材料屬性

劃分網格后，并對局部區域進行網格細化后，建立了活塞有限元模型如圖4所示，共計90 352個節點，53 439個單元。

圖4　活塞有限元模型

2　活塞有限元分析

本文以活塞標定轉速5 000 r/m下，最大燃燒壓力作用在活塞頂部的工況為典型分析工況；此工況下，活塞受到燃氣壓力、慣性力等機械負荷作用。

2.1 機械負荷邊界條件

燃燒壓力分別作用于活塞頂部、環岸、環槽各處，其中活塞頂部所受最大燃燒壓力[2]，由公司提供的示功圖可查得其值為5.4 MPa，第一環槽內側的燃燒壓力為3.8 MPa，第一環岸與第二環岸之間的燃燒壓力為1.6 MPa，第二環槽內側的燃燒壓力為1.6 MPa。

活塞所受慣性力是往復慣性力，其方向與活塞加速度方向相反，在ANSYS中，慣性力是以加速度的作用于模型上的，所以只要求出活塞在這一時刻的運動加速度即可。活塞運動加速度為

2.2 位移邊界條件

3　結果分析

數值計算結果如圖5所示，活塞在最大燃燒壓力作用時，頂部外側受拉，內側受壓，活塞頂應力分布值基本呈對稱分布。活塞裙部沿與銷軸垂直方向向內側變形，活塞銷座外兩側隨之略微向外變形。最大應力出現在加強筋與銷座連接處，其值為81.927 MPa，最大變形量位于活塞裙最下端，其值為0.264 mm。

圖5 活塞Von Mises應力圖

4　結論

該活塞總體應力較低，其值為50~60 MPa之間，故該活塞結構基本符合設計要求。所承受的最大應力值為 81.927 MPa，出現在加強筋與銷座連接處，沒有超過最大拉壓強度值，但接近拉壓疲勞極限，所以該區域應予充分重視。

[1] 周寧.ANSYS機械工程應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2] 陳家瑞.汽車構造:上冊[M].北京:機械工業出版社,2005.

The Application of CAD/CAE Technology to Engine Piston Design

Huang Dingjian，Zhong Yong，Huang Jian

(Electromechanical and Automation Engineering Department，Fujian University of Technology，Fuzhou 350108，China)

Piston is one of the most important components of an engine. A finite element model of a piston and the piston’s boundary conditions were constructed by using computer aided design (CAD)/computer aided engineering (CAE) technologies. A 3-D finite element analysis of the piston under mechanical loads was performed. The stress and deformation of the piston were obtained to enhance piston structure and product design.

piston; mechanical load; finite element method

福建省汽車電子與電驅動科研技術重點實驗室開放基金項目（2010008），福建工程學院青年科研基金項目（GY-Z0895）。